여러 종교는 우주의 탄생을 설명하는 데에 있어서 제각각 다른 주장을 하지만, 대체로 하나의 결로 이어진다. 태초에 전지전능한 신이 있었고, 그 신께서 자신만의 규칙과 계획대로 우주만물을 창조했다고 전해진다는 것이다.
오랜 세월이 지나 똑똑해진 인간들은 이러한 우주를 연구하는데 놀라운 것을 발견한다.
바로 신이 세상을 만들 때, 특별한 규칙이나 계획 없이 세상을 만들었다는 사실이다. 분명 신께서는 규칙과 계획을 갖고 이 우주만물을 창조하셨을 터인데, 인간이 연구한 세계는 그렇지 않다. 그럼 틀린 것은 무엇인가?
주사위 게임처럼 무작위인 세상을 만들었다면, 그것이 정말 신이라고 할 수 있겠는가?
신은 정말로 존재하는걸까? 에 대한 물음은 인류역사를 통틀어 항상 존재해왔고, 그에 대한 대답도 가지가지였지만, 현대 물리학의 발전과 더불어 양자역학이 태동하고 발전함에 따라 이러한 의문들이 다시금 과학계에서 솟아나곤 했다.
양자역학이 태동하던 시기, 과학자들은 스스로 이런 의문을 품을 수 밖에 없었다.
1900년대 초기, 양자역학이 태동하던 시기에 과학자들은 눈에 보이지 않는 미시세계를 연구하기 시작했다.
당시 과학자들은 눈에 보이지 않는 세계인 미시세계의 입자들을 연구하고있었다.
미시세계의 입자들은 어떤 규칙을 갖고있을까? 각자 나름대로의 이론과 연구를 통해 발전시켜나갔다.
그러한 연구가 진행되고, 과학자 '닐스 보어'에 이르러서는 3번째 원자모형으로 업그레이드되는데, 지금 우리에게 익숙한 모형이 바로 그 것이다. 가운데에 원자핵이 있고, 전자가 그 주위를 빙빙도는 듯한 형태의 모형.
가운데에 원자핵이 있고, 그 주변을 전자가 빙빙 도는 모형은 3번째 업그레이드 된 원자 모델이었음에도 불구하고 뭔가 부족한 느낌이 있었다. 이론으로는 설명이 되는데, 수식으로는 설명이 안 되는 어떤 것이 있었던 것이다.
바로 보어의 모형을 설명할 방정식이 없다는 것. 그러나 여기서 23살밖에 되지 않은 젊은 과학자 '하이젠베르크'가 등장한다.
하이젠베르크는 스승이었던 보어 아래에서 8개월을 연구하고, 스승 보어의 원자모형을 보고 공부하다가 문득 이런 생각을 하게 된다.
'보어의 원자모형은 이론적으로는 맞긴 한데, 어떻게 수학적으로 표현할 수 있을까?'
하이젠베르크는 이 해답을 찾기 위해 수소원자가 방출하는 빛의 변화를 연구하기 시작했다. 그리고 곧, 수소원자 빛의 변화에 뭔가 패턴이 있다는 걸 알아차린다. 그런데 하이젠베르크는 아무리 연구를 해봐도 결론이 나지 않았기에 반 쯤 포기한 상태였다.
그렇게 연구를 거듭하던 날이 계속되고, 하이젠베르크는 머리를 식힐 겸 '헬골란트 섬'이라는 곳으로 2주간의 여행을 떠난다. 이 '헬골란트 섬'은 매우 작은 섬이라서, 그 곳에서 할 것이라고는 바다를 보며 시간을 보내는 일 뿐이었다. 그는 2주일동안 섬에서 할 게 없었던지, 그동안 연구해왔던 수식을 줄곧 연구했는데, 2주간의 휴가가 끝난 후에 그는 그동안 연구했던 수식을 가지고 '막스 보른'을 찾아간다.
막스 보른은 하이젠베르크의 수식을 보고서는 곧, 그 숫자를 간단하게 정리하는 데에 성공했고 '행렬역학'이라는 간단하고 깔끔한 공식으로 다시 태어나게 하는데에 성공했다. 하이젠베르크는 불과 23살의 나이에 스승 닐스 보어의 원자모형을 행렬역학을 이용해 수학적으로 표현할 수 있었고, 전자가 어디있을지 확률적으로 알 수 있었다.
그런데 이 행렬역학을 영 맘에들어하지 않는 물리학자가 있었는데 바로 '슈뢰딩거의 고양이'로 유명한 물리학자 '에르빈 슈뢰딩거'이다.
슈뢰딩거는 전자를 파동으로 가정한 다음, 이 파동이 어떻게 움직이는지 수학적으로 설명하는 파동방정식을 발표한다. 그런데 슈뢰딩거 본인조차도 이 방정식이 뭘 뜻하는지 제대로 해석하지 못했고, 막스 보른이 개입하여 그가 보기에 불완전해보였던 슈뢰딩거의 파동방정식을 손대었다. 얼마지나지않아, 막스 보른은 몇 가지 수정을 더해 새로운 해석을 내놓았고 이를 논문으로 발표했다.
막스 보른은 슈뢰딩거의 파동방정식을 이용하여, 전자의 위치를 설명할 수 있는 '확률밀도함수'를 도출해낸다. 파동함수에서 진폭이 높은 위치에서는 전자가 존재할 확률이 높고, 진폭이 낮은 위치에서는 전자가 존재할 확률이 적은 것이다. 이 슈뢰딩거의 파동방정식은 전자가 어디 있을지 확률적으로 나타낸 방정식이었던 것이다.
이렇듯, 양자세계에서 입자는 어디있는지 정확하게 알 수 없고, 다만 어디있을지 확률적으로만 알 수 있다고 했다.
닐스 보어, 하이젠베르크도 이에 동의하여 코펜하겐 해석을 만들게 된다.
코펜하겐 해석을 정리하자면, 미시세계에서는 정확하게 알 수 있는 건 없다. 그렇기 때문에 확률이라는 개념을 도입해야한다. 위치를 파악하면 운동량을 모르게되고, 운동량을 정확하게 파악하면 위치를 정확하게 모르게 되는 것이다. 더욱이, 전자는 파동이면서 동시에 입자이며 이들의 특성이 서로를 배척하면서 동시에 보완한다는 것.
솔베이 회의에서 아인슈타인이 남긴 유명한 문장
"신은 절대 주사위놀이를 하지 않는다."
당시까지만 해도 신이 모든 우주 만물을 창조하실 적에 모든것을 완벽하고 정확하게 만드셨을 것이 분명하다고 생각했을텐데, 양자역학의 코펜하겐 해석에서는 미시세계의 입자들의 움직임을 모두 확률로써 표현하고, 중첩된 상태라고 주장하니 이 얼마나 터무니없이 받아들여졌을까?
